Nooit glad

MET TECHNIEKEN die in de halfgeleiderindustrie werden ontwikkeld kunnen atomen bijna een voor een op een oppervlak worden aangebracht. Je zou dus zeggen dat het eenvoudig moet zijn om een volmaakt glad oppervlak te maken. Maar dat valt tegen. Zelfs op een röntgenspiegel, het gladste oppervlak dat onder de meest gunstige omstandigheden is geprepareerd, is het gemiddelde hoogteverschil nog altijd zo'n één nanometer. Sommige atomen liggen nu eenmaal niet lekker op elkaar. Het is net als water dat de ene keer als bolletjes op een ondergrond blijft liggen en de andere keer mooi uitvloeit; de oppervlaktespanning speelt hierbij een belangrijke rol. Het wil nog wel eens helpen om het oppervlak te verhitten: wanneer er lokale hoogteverschillen zijn ontstaan, dan hebben de atomen op de hogere delen als het ware een duwtje nodig om zich gelijkmatig over het oppervlak te verspreiden. Een nadelig effect van dit verhitten is echter dat de temperatuur soms zo hoog moet worden opgestookt dat de atomen het oppervlak gaan binnendringen waardoor er menging optreedt. In de groep van Bene Poelsema aan de Technische Universiteit Twente zijn de laatste jaren een aantal technieken ontwikkeld om atomen de wil op te leggen.

Tot voor kort had al hun onderzoek zich geconcentreerd op wat er gebeurt wanneer de atomen eenmaal zijn geland. Maar het oppervlak kan ook een grote invloed uitoefenen op atomen die eraan komen, zo blijkt uit recent werk van AIO Sebastiaan van Dijken en zijn collega's. Ze ontdekten dat een stroom atomen zich niet altijd netjes over een oppervlak verdeelt. Zeker niet als zich oneffenheden op dat oppervlak bevinden. Die trekken aankomende atomen als het ware naar zich toe, en zorgen er zo voor dat aanvankelijk ontstane eilandjes kunnen uitgroeien tot atomaire pieken. Zo blijft er van een spiegelglad oppervlak niet veel over. De beschrijving en analyse van dit tot nog toe onopgemerkte effect verscheen onlangs in Physical Review Letters (17 mei 1999).

Van Dijken en zijn colega's begonnen vorig jaar een serie experimenten die tot hun ontdekking leidde. De onderzoekers realiseerden zich dat atomen die een oppervlak naderen, maar een zeer geringe energie hebben ten opzichte van de energie waarmee ze door atomen aan het oppervlak worden aangetrokken. Het kan dus niet anders of ze worden vlak voor de landing behoorlijk versneld en afgebogen. En waar ze aanvankelijk allemaal keurig dezelfde eigenschappen bezaten, hebben ze dat niet meer vlak voor ze landen. Van Dijken: ``Als er zich ergens een cluster van atomen heeft gevormd, zal elk volgend atoom daar sterker door worden aangetrokken. Zo'n atoomcluster fungeert als een soort atomair ontvangscomité en zal daardoor sterker groeien dan zijn omgeving.''

Om dat te bewijzen schoten de Twentenaren met een bundel koperatomen op een koperoppervlak. Dat moest daarvoor eerst wel onder ultrahoog vacuüm worden gebracht, dat wil zeggen bij een druk kleiner dan 10 atmosfeer. Zo wordt de invloed van vervuiling van het oppervlak onderdrukt. Dat is nodig omdat de atomen zich anders niet meer ongestoord over het oppervlak zouden kunnen bewegen, waardoor het oppervlak er in het algemeen alleen nog maar ruwer op zou worden.

De bundel werd onder een kleine hoek op het oppervlak afgeschoten, omdat de verwachting was dat in dat geval het effect het grootst zou zijn. Dat bleek te kloppen. De koperatomen werden als het ware gefocusseerd op de bovenste atoomlagen. Dat kon met een relatief eenvoudig, kwalitatief model netjes worden verklaard. De auteurs wijzen erop dat met dit effect onder alle omstandigheden rekening moet worden gehouden, hoewel het veel minder sterk is wanneer een atoombundel loodrecht op een oppervlak wordt gericht.

Helemaal negatief was het afbuigverschijnsel ook weer niet. De positie van koper op een koperoppervlak bleek namelijk tot nette evenwijdige koperribbels te leiden, een verschijnsel wat je ook ziet op een strand. Zowel de dikte van deze lijntjes als hun onderlinge afstand kon netjes worden ingesteld. En zo kan een hinderlijk fenomeen toch weer tot interessante toepassingen leiden. Van Dijken: ``Dergelijke structuren zouden bijvoorbeeld als atomaire mal kunnen worden gebruikt bij de fabricage van nanodraden.''